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歐洲核子研究組織（CERN）的科學(xué)家們，剛剛首次通過激光實(shí)現(xiàn)了反物質(zhì)的冷卻。這項(xiàng)里程碑式的成果，或有助于揭開反物質(zhì)的神秘面紗，尤其是它為何在“大爆炸”之后不久，便在宇宙中消散于無形。此外與難以捉摸的暗物質(zhì)不同，反物質(zhì)至少對(duì)我們來說還顯得更“有形”一些，且近年來已經(jīng)得到了隔離、產(chǎn)生和檢驗(yàn)。

研究配圖 - 1：ALPHA-2 裝置示意圖與反氫能級(jí)

簡單理論的設(shè)想是，反物質(zhì)與正常物質(zhì)帶有相反的電荷，若一定數(shù)量的兩者互相接觸，則可能在湮滅時(shí)爆發(fā)出巨大的能量。正因如此，反物質(zhì)的存儲(chǔ)和運(yùn)輸也變得相當(dāng)棘手，更別提對(duì)其展開深入的了解。

慶幸的是，過去十年時(shí)間里，CERN 科學(xué)家們一直在努力開發(fā)更好用的容器。這些容器主要利用電磁作用，讓反物質(zhì)在真空中懸浮更長的時(shí)間。從幾秒之一秒到幾分鐘，甚至超過一年。

研究配圖 - 2：激光冷卻反氫的譜線形狀與 TOF 分布

如此一來，科學(xué)家們就能夠通過多種方式來研究反物質(zhì)，比如它的光譜、及其與重力的相互作用。所有這些的主要目的，就是研究電荷是否是物質(zhì)與反物質(zhì)之間的唯一區(qū)別。

此外還有另一個(gè)問題，即研究人員難以在溫度較高的“嘈雜”環(huán)境中，對(duì)反物質(zhì)展開更精確的測(cè)量。

研究配圖 - 3：激光冷卻 / 加熱反氫的橫向動(dòng)能分布（TOF 重構(gòu)）

好消息是，CERN 旗下 ALPHA 研究團(tuán)隊(duì)的工作人員，已經(jīng)成功地借助激光來冷卻反氫原子。此前這項(xiàng)技術(shù)已普遍運(yùn)用于常規(guī)物質(zhì)，但這次卻是我們首次見到它被運(yùn)用于反物質(zhì)。

可知原子（或反原子）能夠吸收激光的光子能量，將之短暫推向更高的能級(jí)，不久后再次發(fā)射光子、并衰減至較低的能級(jí)。由于光子可傳遞動(dòng)量，科學(xué)家們便可利用此循環(huán)，讓原子逐漸減速。

研究配圖 - 4：實(shí)驗(yàn)中冷熱原子的譜線比較

為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，ALPHA 研究團(tuán)隊(duì)還使用了專為反氫而設(shè)計(jì)的脈沖激光，且頻率剛好處在“低于其最低的能量狀態(tài)”和向“較高的能量狀態(tài)”轉(zhuǎn)變之間。

通過數(shù)小時(shí)的努力，研究人員發(fā)現(xiàn)它們的（中值）動(dòng)能下降到了初始值的 1/10 左右，溫度也冷卻到了 0.012K（僅略高于始終無法達(dá)到的絕對(duì)零度）。

研究配圖 - 5：從 1S-2S 能級(jí)躍遷的譜線記錄

完成這項(xiàng)任務(wù)之后，研究團(tuán)隊(duì)繼續(xù)發(fā)現(xiàn)，由激光冷卻的反氫的光譜線，只有通常的 1/4 窄，表明了該技術(shù)有利于科學(xué)家對(duì)反物質(zhì)展開更精確的測(cè)量，進(jìn)而幫助我們深入了解反物質(zhì)與常規(guī)物質(zhì)的區(qū)別。

CERN cools antimatter using laser light for the first time（via）

有關(guān)這項(xiàng)研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《自然》（Nature）期刊上，原標(biāo)題為《Laser cooling of antihydrogen atoms》。